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对等计算中的分布式路由算法及其安全性研究

周世杰  
【摘要】:客户/服务器计算模型(Client/Server: C/S)是现代互联网的核心。结构的简练和高效使其成为Internet的主流,现有应用也多以此为基础。但在高速的下一代Internet平台上,该模型面临诸多问题与挑战,其中服务瓶颈问题尤为突出。分布式计算是有望解决服务瓶颈问题的候选技术之一。 作为分布式计算技术实现形式之一的对等计算(Peer-to-Peer Computing:P2P),由于无集中控制点,可避免客户/服务器模型的服务瓶颈问题,因而自然成为分布式计算技术的研究热点。对等计算所追求的目标是实现一个自由的互联网环境,满足用户之间直接信息交流的需要。此外,作为一种全新的计算模型,它亦可作为网格计算和无线通信的底层支撑技术。因此,对等计算技术及其应用也正晋升为整个信息技术研究领域的热点。 由于对等计算没有C/S中服务器那样的中心控制节点,因此如何进行消息路由和资源发现,是该技术需解决的核心问题。作为对等计算基础的消息路由,所解决的主要问题是如何构建一个“互连互通”的对等网络问题(当然,路由的高效性也是它追寻的目标)。以“泛洪”路由算法为代表的第一代对等计算,不仅浪费网络资源,而且略显“无政府主义”,因此难以大规模应用。以分布式Hash表路由算法为代表的第二代对等计算系统,不仅对结构的严整性要求过于苛刻,且较少考虑具体用户需求和网络已有的行为特征,因而其应用前景也尚难明了。此外,已有的路由和资源发现算法,对安全问题尚无现成解决方案。为此,研究人员正寻求满足第三代对等计算系统需要的分布式路由算法,并期望解决长期困扰对等计算发展的安全问题。 本文所提出的基于团体的分布式路由算法(CSDR)及其安全性扩展技术,不仅融合了信息安全技术、分布式计算技术和路由通信技术,也兼顾了具体应用需求和现有网络行为特征,很好地解决了构建安全的互连互通对等网络这一关键问题,因而既有理论意义又有实用价值。 本文以分布式计算和信息安全技术为理论基础,以对等计算环境中的分布式路由算法为主攻对象,开展了基于团体的分布式路由算法及其安全性的研究,内容主要涉及基于团体的分布式路由算法、该算法的安全性解决方案,以及应用模型等,研究工作取得了以下创新性成果: 提出了一个基于团体的分布式路由算法方案:该方案具有简单、分布式、实用以及可证明的连通性等特点。它由节点加入算法、节点退出算法、团体初 WP=7 始化算法和团体更新算法等组成。同时,本文还从理论上证明了以该算法为基础的对等网络可连通性问题。此外,使用该算法可构建以社区网络为基础的扁平式对等网络、以Internet网络为基础的交错式对等网络,以及以流媒体服务为需求的多媒体对等网络。 提出了一个多获胜者投标选举算法:提出了基于指数模运算的投标选举函数的构造方法,并对投标选举函数的公平性、正确性和成功概率等进行了理论证明。设计了一个满足CSDR需要的多获胜者投标选举算法(CSR-D),从而不仅很好地解决了团体关键节点选举这一关键问题,而且也使得CSDR网络的高效性和连通性得以保证。该算法以环形拓扑为基础,具有简单、随机、高效和实用的特点。 提出了基于单向累计函数的节点认证技术:针对CSDR算法的具体安全需求,提出了以RSA难题假设和强RSA难题假设为基础的单向累计函数的具体构造方法,并设计了基于RSA单向累计函数的节点认证协议、基于无冲突RSA单向累计函数的节点认证协议和带零知识证明的RSA单向累计函数节点认证协议。使用这些节点认证技术,可在一定程度上抵御针对CSDR算法的攻击。 提出了新的对等计算应用模型:依据对等网络“移动性”之特点,并结合信息安全的需要,提出了安全对等计算模型,并以此为基础设计了一个层次化的安全对等计算应用模型体系结构,分析了其应用部署模型。设计了两个以该体系结构为基础的对等计算应用系统:分布式密钥管理系统(PKey)和资源存储系统(PStore)。设计了一个适合于对等网络的资源公平交换协议(BWFEP)。试验和分析结果不仅验证了应用模型的正确性和合理性,也表明上述系统具有很好的实用性。


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